Fast transformation of andalusite into mullite by addition of yttria

Abstract

Mullite has many excellent properties which can produce refractories with high quality. The fast transformation of andalusite into mullite and silica is around 1653 K. In this work, quenching method was employed to study the effect of Y2O3 additive on the transformation of andalusite into mullite. The experiment was carried out in a closed tube furnace at 1553 K and 1573 K. The transformation of andalusite into mullite was studied thermodynamically. Thermodynamic calculation reveals that the temperature of spontaneous mullitization of andalusite was 1180 K. Additional Y2O3 of 3.75 wt% was added into different sizes of andalusite powders. Some Y2O3 was found to be reacted with SiO2 and formed as Y2Si2O7 phase. The mullite contents after fired at both 1523 K and 1573 K for 2 h have improved markedly when the andalusite powders were with small sizes (d50 = 4 μm and d50 = 43 μm) but little affection on the mullitization of andalusite with large size (d50 = 143 μm) was found. Moreover, with the addition of Y2O3, the andalusite (d50 = 4 μm) was completely transformed into mullite after fired at 1573 K for 2 h. The mullite content in the sample of small size after fired at 1573 K went up by more than 20%. The viscosity value of generated liquid phase is major determinants of transformation of andalusite into mullite. Resumen: La mullita posee excelentes propiedades para producir materiales refractarios de alta calidad. La rápida transformación de andalucita en mullita y sílice es de 1.653 K, aproximadamente. En este trabajo se empleó el método de enfriamiento brusco para estudiar el efecto del aditivo Y2O3 en la transformación de andalucita en mullita. El experimento se llevó a cabo en un horno de tubo cerrado a 1.553 y 1.573 K. Se estudió termodinámicamente la transformación de andalucita en mullita. El cálculo termodinámico revela que la temperatura de la mullitización espontánea de la andalucita era 1.180 K. Se añadió el 3,75% en peso de Y2O3 adicional a diferentes tamaños de polvos de andalucita. Se observó alguna reacción de Y2O3 con SiO2, que se formó como fase Y2Si2O7. El contenido de mullita después de cocer tanto a 1.523 K como a 1.573 K durante 2 h mejoró notablemente cuando los polvos de andalucita eran de pequeño tamaño (d50 = 4 μm y d50 = 43 μm), pero se halló poca atracción en la mullitización de la andalucita de gran tamaño (d50 = 143 μm). Además, con la adición de Y2O3, la andalucita (d50 = 4 μm) se transformó completamente en mullita después de cocerla a 1.573 K durante 2 h. El contenido de mullita en la muestra de pequeño tamaño después de cocerla a 1.573 K aumentó más del 20%. El valor de viscosidad de la fase líquida generada es el principal determinante de la transformación de andalucita en mullita. Keywords: Andalusite, Mullite, Y2O3, Thermodynamic, Kinetic, Palabras clave: Andalucita, Mullita, Y2O3, Termodinámico, Cinético